数电交通灯课程设计(定稿)doc

1、华北科技学院课程设计交通灯控制电路目录1设计目的22设计任务和要求33设计思路34设计过程34.1 方案论证 34.2 电路设计74.2.1 秒脉冲发生器 74.2.2 定时器94.2.3 控制器114.2.4 译码电路 144.2.5 显示部分 155系统调试与结果166结论177设计心得体会178附录189参考文献20交通灯控制电路1、设计目的(1)熟悉集成电路的引脚安排。(2)掌握各芯片的逻辑功能及使用方法。(3) 了解面包板结构及其接线方法。(4) 了解数字交通灯控制电路的组成及工作原理。(5)学会用仿真软件对设计的原理图进行仿真。(6)熟悉数字交通灯控制电路的设计与制作。2、设计任务和要求：设计一个十字路口交通信号灯控制器，其要求如下：1 它们的工作方式满足图1顺序的工作流程，途中设南北 向的红、黄、绿灯分别为 NSR NSY、NSG东西向的红、黄、 绿灯分别为EWREWYEWG其中红灯(R)亮，表示该条道路禁止 通行，黄灯(Y)亮表示停车，绿灯(G)亮表示允许通行。2 两个方向的工作时序：东西向亮红灯时间应等于南北向 亮黄、绿灯时间之和，南北向亮红灯时间应等于东西向亮黄、绿

2、 灯时间之和。3 十字路口有数字显示，作为时间提示，以便人们更直观地把握时间。4 可以手动调整和自动调整，夜间为黄灯闪耀。3 .设计思路(1)设计秒脉冲发生器(2)设计交通灯定时电路(3)设计交通灯控制电路(4)设计交通灯译码电路(5)设计交通灯显示时间电路4 .设计过程4.1 方案论证方案一 用数电电子技术来实现交通灯控制交通灯控制系统的原理框图如图1所示。它主要由控制器、定时器、译码器和秒脉冲信号发生器等部 分组成。秒脉冲发生器是该系统中定时器和控制器的标准时钟信 号源，译码器输出两组信号灯的控制信号，经驱动电路后驱动信 号灯工作，控制器是系统的主要部分，由它控制定时器和译码器 的工作。图中：用甲车道表示南北方向的道路，乙车道表示东西方向的车 道。TL:表示甲车道或乙车道绿灯亮的时间间隔为 30秒，即车 辆正常通行的时间问隔。定时时间到，TL=1,否则，TL=0oTY:表示黄灯亮白时间间隔为5秒。定时时间到，TY=1,否 则，TY=QST:表示定时器到了规定的时间后，由控制器发出状态转换 信号。由它控制定时器开始下个工作状态的定时。图1系统的原理框图交通灯控制器的ASM如图2所示(

3、1)甲车道绿灯亮，乙车道红灯亮。表示甲车道上的车辆 允许通行，乙车道禁止通行。绿灯亮足规定的时间隔TL时，控制器发出状态信号ST,转到下一工作状态。(2)乙车道黄灯亮，乙车道红灯亮。表示甲车道上未过停 车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行，乙车道禁止 通行。黄灯亮足规定时间间隔 TY时，控制器发出状态转换信号 ST,转到下一工作状态。(3)甲车道红灯亮，乙车道绿灯亮。表示甲车道禁止通行， 乙车道上的车辆允许通行绿灯亮足规定的时间间隔TL时，控制器发出状态转换信号ST,转到下一工作状态。(4)甲车道红灯亮，乙车道黄灯亮。表示甲车道禁止通行， 乙车道上位过县停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆停止 通行，已过停车线的车辆继续通行。黄灯亮足规定的时间间隔TY 时，控制器发出状态转换信号 ST,系统又转换到第(1)种工作 状态。交通灯以上4种工作状态的转换是由控制器器进行控制的。设控制器的四种状态编码为 00、01、11、10,并分别用SR S1、S3、S2表示，则控制器的工作状态及功能如表 1、2所示，控制 器应送出甲、乙车道红、黄、绿灯的控制信号。为简便起见，把 灯的代号和灯的驱

4、动信号合二为一，并作如下表 1规定：表1控制器的工作状态及功能控制状态信号灯状态车道运行状态S0 (00)甲绿、乙红甲车道通行，乙车道禁止通行S1 (01)甲黄、乙红甲车道缓行，乙车道禁止通行S3 (11)甲红、乙绿甲车道禁止通行，乙车道通行S2 (10)甲红，乙黄甲车道禁止通行，乙车道缓行NSG=1甲车道绿灯亮甲车道通行EWG=1乙车道绿灯亮乙车道通行NSY=1甲车道黄灯亮甲车道缓行EWY=1乙车道黄灯亮乙车道缓行NSR=1甲车道红灯亮甲车道禁止通行EWY=1乙车道红灯亮乙车道禁止通行由此得到交通灯的ASMS,如图2所示。设控制器的初始状态为S0（用状态框表示S0）,当S0的持续时间小于25秒时， TL=0（用判断框表示TL）,控制器保持S0不变。只有当S0的持 续时间等于25秒时，TL=1,控制器发出状态转换信号ST （用条 件输出框表示ST）,并转换到下一个工作状态。图2 交通灯的ASM方案二用单片机技术来实现交通灯控制用单片机技术来来实现交通灯控制是最容易实现的，而且 该电路可靠性也很高，但是这是要求设计者要有单片机编程的基 础上才能完成设计。由于本人单片机编程基础不是很好，所

5、以选 用了数字电子技术来实现交通灯控制。4.2 .单元电路的设计4.2.1 秒脉冲发生器秒脉冲发生器由LM555CN电路及 外围电路组 成，其中 R16=10K R15=10K,R23=100K,C1=10nF,C2=1u的电阻电容值决定 了脉冲宽度。既 T=(R23+2R16)C1ln2当T=1&即可凑出R8、R9 C2其中C2=1uF是为了保持输出的波形的稳定。如图 3 所示，R16=10K R15=10K,C2=1uFffl成一个串联 RC 充放电电路，在LM555CNJ 7脚上输出一个方波信号，C2上得到 一个三角波。此三角波送到 NE555的2脚输入端。由LM555CNJ 部的比较器和门电路共同作用，维持7脚上的方波信号和3脚上 的输出方波。6 5 9, R1105%- SR23100kQKe尸 ,vcc RSToutrJin* * aTHR- - - I TRI- - -71U24,LM555CNAGNO4LS9ODK i ! a i i r r e i图3秒脉冲发生器原理图秒脉冲还可以由芯片CD406解口 74LS74及其外围电路构成如 图5,该电路选用石英晶体结构成振荡

6、器，在经过分频电路得到 秒脉冲。振荡器的频率越高，计时精度越高。如果精度要求不高 也可以采用集成逻辑门与 RC组成的时钟源振荡器以及由集成电路定时器555与RC组成的多谐振荡器。因此，该设计选着由集 成电路定时器555与RC组成的多谐振荡器来产生秒脉冲。图4 石英晶体和分频器构成的秒脉冲发生器4.2.2 定时器定时器由与系统秒脉冲（由时钟脉冲产生器提供）同步的计 数器构成，要求计数器在状态信号 ST作用下，首先置数，然后 在时钟脉冲上升沿作用下，计数器从置入的数开始进行减1计数, 当减到零时通过非同步借位输出端向控制器提供脉冲。计数器选用集成电路40192BD进行设计较简便。40192BD是 10进制同步减法计数器，它具有异步清零、同步置数的功能。40192BD*能表如表2所示。表2 40192BD功能表CLKCPuCPdPLMR工作状态XXX1X置令XXX00顶置数TT101减计数1T01加计数表中PL是高电平有效的同步清零输入端 才同步并行置数控制端，CPU是减计数端， 为脉冲。VCi CJ - b* i- -*-5V - , - - - Lira ,-2： ： f; 堇,MR是低

7、电平有效CR是加计数端，CIK INK.，之鸣Ff.*昌：:I 住#图5交通灯定时器其工作原理为：由秒脉冲发生器产生的秒脉冲CLK送给U6的减计数端，如图5所示，MRI妾低电平，CR接高电平，1、9输 入端接地，10、15输入端接控制器输出的信号，2、3、6、7输 出端接4511BD译码器使得输出的信号通过译码器输入到显示器 上显示出来，将13 （非同步借位输出端）接 U5的减计数端，U5 的MR也接低电平，C历接高电平，9、10输出端接地，1、15输 入端接控制器输出的信号，同样 2、3、6、7输出端接4511BD# 码器使得输出的信号通过译码器输入到显示器上显示出来，将13（非同步借位输出端）接U5和U6的置数端使得当13有脉冲输 出时U5和U6置入相应的数。4.2.3 控制器控制器是交通管理的核心，它应该能够按照交通管理规则控 制信号灯工作状态的转换。控制器由主从 JK触发器构成，主从 JK触发器的状态转移真值表如下表 3:表3主从JK触发器的状态转移真值表主从点触发器的状态转移真值表JKq说明0000皤出状态不受001101000拾出状态与城辘相同011010011儡出状态与J

8、的嬷相同10111101董每输入一个脉冲输出状态改变一次1110主从JK触发器的波形图如下图6图6主从JK触发器的波形图控制器原理图如图7所示。图中U1A的JK触发器因为J端 和K端相连，所以它实现的功能为T触发器的功能。列出T触发 器的特性表如下表4:表4 T触发器特性表TQ*Q000011101110其原理为：CLK分别送给U1所口 U1B的3和13的脉冲输入 端。当开始时U1B的10输入端输入的是0时，当脉冲到来时输 出端15输出的为0,且一部分输出信号输送给计数器的输入端和 74ALs11Agi3译码电路，另一部分信号输入到 U1A的J和K端故 U1A的实际功能为T触发器，当脉冲到来时U1A的1输出端保持 原先的输出状态，同样输出的信号一部分输送到了计数器的输入 端和74ALS11A邮译码电路，另一部分信号输入到了 4081BD中 通过这些与门和或门的逻辑选择，最后又输入到U1B的10端，而这是输入到10端的就变成1 了，当脉冲到来时U1B的输出端 15输出的为1,同理U1A的J和K端就接收到1,当脉冲到来时 输出端则输出1状态，然后又回到4081BD中这样循环下去。4.2.4 译码电路译码器的主要任务是将控制器的输出 Q1、Q0的4种工作状 态，翻译成南北、东西车道上6个信号灯的工作状态。控制器的 状态编码与信号灯控制信号之间的关系如表 5所示。表中NS,EW 代表南北、东西车道。表5控制器状态编码与信号灯关系表QiQoNSG绿灯NSY黄灯NSR红灯EWG绿灯EWY黄灯EWR红灯00100001010100011000110011001010由秒脉冲发生器产生了周期性变化的 CLK脉冲，一部分送给 了定时器的40192BD芯片，另一部分送给

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